static effects and aspects of feasibility and design - ETH E

DISS. ETH NO. 23729
STATIC EFFECTS AND ASPECTS OF FEASIBILITY AND DESIGN OF
DRAINAGES IN TUNNELLING
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
SARA ZINGG
MSc ETH Civil Eng, ETH Zurich
born on 03.02.1978
citizen of Bürglen, TG
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Georg Anagnostou
Prof. Ing. Daniele Peila
Prof. Dr. Robert Boes
2016
Summary
This PhD thesis investigates the effectiveness of drainage measures with respect to two particularly
important problems associated with tunnelling through water-bearing, weak ground: the stability of the
tunnel face and the stability and deformation of grouting bodies. Water is an adverse factor with
respect to the stability and deformation of underground structures due to, (i), the pore water pressure
and, (ii), the seepage forces associated with seepage flow towards the tunnel. Drainage boreholes
reduce the pore water pressure and the seepage forces in the vicinity of the cavity. Furthermore, loss of
pore water pressure increases the effective stresses and thus the shearing resistance of the ground
(‘consolidation’), which is favourable in terms the deformation occurring during and after tunnelling.
The goal of the PhD thesis is to elaborate a more detailed understanding of the interrelationships
between drainage measures and the stability of the tunnel face and grouting bodies. The main
objectives of the investigations relating to the tunnel face are: (i) analysis of face stability through
limit equilibrium computations taking account of the numerically determined seepage flow conditions
prevailing in the ground after the implementation of drainage measures; (ii) systematic investigation of
tunnel face stability considering several different drainage layouts and working out designnomograms; (iii) consideration of a series of aspects limiting pore pressure relief and thus the
effectiveness of drainage measures and their impact on face stability. The main objectives of the
investigations with regard to grouting bodies are: (i) a study of the stabilizing effect of the virtual case
of ideal drainage on tunnel support and plastification in grouted fault zones in plane strain conditions;
(ii) a comparison with the stabilizing effect of real drainage layouts, i.e. when considering pore
pressure relief due to specific drainage borehole arrangements, (iii) application of the drainage
measure both before and after the injection works.
The study of face stability is organised in four chapters. The first chapter investigates the effectiveness
of various advance drainage schemes with respect to face stability in ground of uniform permeability.
A suite of computations is carried out to quantify the effects of the geometric parameters of several
different drainage schemes. The seepage forces, which are considered in the limit equilibrium
computations, are determined numerically through steady-state, three-dimensional seepage flow
analysis which takes account of the characteristics of a given drainage scheme. A dimensionless
formulation of the required support pressure (or the required cohesion of the ground) is developed in
order to produce design nomograms that can provide a quick assessment of face stability in cases
involving partial pore pressure relief in advance of excavation.
Hydraulic heterogeneity due to alternating aquifers and aquitards may result in a hydraulic head field
which is particularly adverse for face stability due to high gradients close to the face. In the second
chapter, a suite of stability analyses are carried out in order to quantify the effects of the orientation,
thickness, location, number and permeability ratio of the ground layers, paying particular attention to
the effectiveness of a common advance drainage measure consisting of six axial boreholes drilled
from the tunnel face. The computational results provide valuable information about whether and to
what extent the required support pressure is higher or lower than in the case of uniformly permeable
ground; which ground structures are critical for face stability and necessitate a higher support
pressure; the extent to which advance drainage allows for a reduction in support pressure; and where
the drainage boreholes have to be arranged in order to be most effective.
Several other factors may impose limits on pore pressure relief in the ground around advance drainage
boreholes and thus limit their effectiveness with respect to face stability: (i) the hydraulic capacity of
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the drainage boreholes hindering full pressure relief in highly permeable ground at high water table;
(ii) the casings required for stabilizing the borehole, but which in turn restrict pore pressure relief to
small openings; (iii) the lead-time in a poorly permeable ground, where pore pressure relief by
advance drainage may take a prohibitively long time to work; (iv) environmental constraints with
respect to the drawdown of the water table; (v) the magnitude of settlements, which may impose limits
on the amount of admissible pore pressure relief and, (vi) the pumping capacity available on site,
which may limit the quantity of water inflow. In the third chapter, the hydraulic capacity of the
drainage boreholes is investigated by means of an equivalent conductivity model taking account of
pipe- and open-channel flow hydraulics within the drainage borehole. The model makes it possible to
determine the maximum ground permeability for which it is safe to consider the borehole wall as a
seepage face. In addition, the minimum requirements for casings are elaborated based upon face
stability considerations. The fourth chapter discusses the time required for lowering the hydraulic head
field to practically steady state conditions and analyses the magnitudes of drawdown, settlement and
water discharge caused by advance drainage boreholes drilled from the tunnel face. The computational
results provide useful insights into potential risks related to advance drainage measures for face
stability and indicate the limits of applicability of the design nomograms.
The stability of grouting bodies is studied for two crucial drainage measures: (i) drainage of the inner
part of the grouting body to decrease the load and the risk of inner erosion due to the action of high
hydraulic gradients, (ii) advance drainage of the area of future grouting bodies to increase the effective
stresses and lead to consolidation of the ground prior to injection. A cylindrical tunnel is assumed to
be excavated in ground considered as a porous, elasto-plastic medium obeying the principle of
effective stress and Coulomb’s failure criterion and taking the seepage forces into account. For the
virtual case of ideal drainage, i.e. complete pore pressure relief, an analytical solution is derived.
Several specific arrangements of drainage boreholes are studied by means of hydraulic-mechanical
coupled FE-modelling and the deviations from the analytical solutions are elaborated. The effect of the
drainage measures is discussed by means of the characteristic line, i.e. stress as a function of the
displacement at the excavation boundary of the tunnel, and the degree of plastification of the grouting
body, which may serve as another dimensioning criterion for stability. The computational results
provide valuable information about the static effects of number, length and spacing of drainage
boreholes arranged inside- and outside the grouting body.
In summary, the contribution of this PhD thesis is the detailed investigation of the static effects of
drainage measures during tunnelling in water-bearing ground with respect to the stability of the tunnel
face and the grouting body as well as the supply of design aids capable of providing a quick
assessment of face stability when considering a number of advance drainage schemes.
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Zusammenfassung
Diese Dissertation untersucht die Auswirkung von Drainagemassnahmen auf zwei typische
Problemstellungen im Tunnelbau durch wasserführendes, gebräches Gebirge: einerseits auf die
Stabilität der Ortsbrust, andererseits auf Stabilität und Verformung eines Injektionskörpers. Die
ungünstige Wirkung von Wasser auf Stabilität und Verformung von Tunnelbauten hat ihre Ursache
zum einen im Porenwasserdruck und zum andern in den Strömungskräften, die infolge zum Tunnel
hin gerichteter Sickerströmung entstehen. Drainagebohrungen reduzieren sowohl den Porenwasserdruck, als auch die Strömungskräfte rund um den Hohlraum. Zudem erhöht der Porenwasserdruckabbau die effektiven Spannungen und somit die Scherfestigkeit des Baugrundes
(„Konsolidation“), was sich günstig auf die Verformungen während und nach dem Tunnelbau
auswirkt.
Die Zielsetzung der Doktorarbeit ist es, ein umfassendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen
Drainagemassnahmen und der Ortsbruststabilität sowie der Stabilität von Injektionskörpern zu
erarbeiten. Die Hauptziele der Untersuchung rund um die Ortsbrust sind: (i) die Beurteilung der
Ortsbruststabilität mittels Grenzgleichgewichtsmodell, welches die sich infolge Drainage einstellende,
numerisch ermittelte Sickerströmung berücksichtigt; (ii) die systematische Untersuchung der
Ortbruststabilität für verschiedene, praxisnahe Drainageanordnungen inklusive der Ausarbeitung von
Dimensionierungs-Nomogrammen; (iii) die Berücksichtigung einer Reihe von Aspekten, die den
Porenwasserdruckabbau somit die Wirksamkeit von Drainagemassnahmen limitieren. Die Hauptziele
der Untersuchung rund um den Injektionskörper sind: (i) das Studium der stabilisierenden Wirkung
der theoretischen, vollständigen Drainage auf Ausbauwiderstand und Plastifizierung eines
Injektionskörpers im ebenen Verformungszustand; (ii) der Vergleich mit dem stabilisierenden Effekt
von praxisnahen Drainageanordnungen, d.h. unter Berücksichtigung des Porenwasserdruckabbaus
infolge ausgewählter Bohrschemata; jeweils, (iii), für Drainagebohrungen vor und nach dem Erstellen
eines Injektionskörpers.
Die Untersuchung der Ortsbruststabilität ist in vier Kapitel gegliedert. Das erste Kapitel untersucht
die Wirksamkeit von verschiedenen, vorauseilenden Drainageanordnungen im homogen durchlässigen
Baugrund. Die geometrischen Parameter der unterschiedlichen Drainageanordnungen werden variiert
und ihr Einfluss quantifiziert. Die Strömungskräfte, die in die Gleichungen des Grenzgleichgewichts
eingehen, werden für jede einzelne Drainageanordnung numerisch mittels stationärer, dreidimensionaler Strömungsanalyse ermittelt. Eine dimensionslose Formulierung des erforderlichen
Stützdrucks (oder der Baugrundkohäsion) wird entwickelt sowie Dimensionierungs-Nomogramme
erarbeitet, die eine rasche Beurteilung der Ortsbruststabilität unter Berücksichtigung der
vorauseilenden Drainagemassnahmen erlauben.
Die hydraulische Heterogenität infolge einer Wechsellagerung von Aquiferen und Aquitarden kann zu
einer ungünstigen Druckverteilung mit grossen, zur Ortsbrust gerichteten hydraulischen Gradienten
führen. Das zweite Kapitel quantifiziert am Beispiel einer gängigen Drainagemassnahme von sechs
Drainagen ab Tunnelortsbrust die Auswirkung von Orientierung, Dicke, Ort, Anzahl und
Durchlässigkeitsverhältnis der Baugrundschichten auf die Ortsbruststabilität. Die Berechnungsresultate liefern wertvolle Informationen darüber, ob und um wieviel der erforderliche Stützdruck von
jenem in homogenem Baugrund abweicht; welche Baugrundmodelle einen höheren Stützdruck
erfordern und somit kritisch sind für die Ortsbruststabilität; welche Stützdruckreduktion durch
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Drainagemassnahmen erreichbar ist und wo die Drainagebohrungen angeordnet werden müssen, um
möglichst ihre volle Wirkung zu entfalten.
Verschiedene, den Porenwasserdruckabbau limitierende Faktoren werden bezüglich ihrer Auswirkung auf die Ortsbruststabilität untersucht: (i) die hydraulische Kapazität der Drainagebohrungen
kann im hochdurchlässigen Baugrund und unter hohem Wasserdruck den Porenwasserdruckabbau
verunmöglichen; (ii) für die Bohrlochstabilität erforderliche Hüllrohre verringern die für den
Druckabbau zur Verfügung stehende Fläche auf kleine Öffnungen; (iii) die Vorlaufzeit bis zum
Erreichen des gewünschten Druckabbaus in geringdurchlässigem Baugrund kann zu lange sein; (iv)
die Grundwasserspiegelabsenkung kann durch Umweltauflagen eingeschränkt sein; (v) die zulässigen
Setzungen können den Betrag der Porenwasserdruckabsenkung begrenzen und; (vi), die auf der
Baustelle bereitgestellte Pumpenkapazität kann die maximal abführbare Wassermenge vorgeben. Im
dritten Kapitel wird ein Modell zur Erfassung der hydraulischen Kapazität der Drainagebohrungen
erarbeitet, das das turbulente Druck- und Freispiegelabflussverhalten im Drainagerohr mittels eines
porösen Mediums von äquivalenter Durchlässigkeit abbildet. Es erlaubt die Bestimmung der
maximalen Baugrunddurchlässigkeit, für welche die Annahme von atmosphärischen Druckbedingungen entlang der Bohrlochwand noch zulässig ist. Weiter werden die aus Sicht der
Ortsbruststabilität minimalen hydraulischen Anforderungen an Hüllrohre erarbeitet. Im vierten Kapitel
wird schliesslich die zum Erreichen einer nahezu stationären Porenwasserdruckverteilung
erforderliche Vorlaufzeit quantifiziert. Im Weiteren werden die zusätzliche Grundwasserspiegelabsenkung, die Setzung der Geländeoberfläche und der Wasserzutritt infolge der Drainagen ab der
Tunnelortsbrust analysiert. Die Berechnungsresultate liefern wichtige Hinweise auf die potentiellen
Risiken von vorauseilenden Drainagemassnahmen zur Erhöhung der Ortsbruststabilität und zeigen die
Anwendungsgrenzen der Dimensionierungs-Nomogramme auf.
Die Stabilität von Injektionskörpern fokussiert auf zwei Drainagekonzepte: (i) die Drainage des
zentralen Bereichs eines Injektionskörpers mit dem Ziel, die Beanspruchung und das Risiko der
inneren Erosion infolge grosser hydraulischer Gradienten zu reduzieren; und (ii), die vorauseilende
Drainage des gesamten Bereiches des zukünftigen Injektionskörpers, um die effektiven Spannungen
zu erhöhen und so den Baugrund vor der Injektionsmassnahme zu konsolidieren. Untersucht wird ein
kreisförmiger Tunnel im wasserführenden Baugrund, der als elasto-plastisches, poröses Medium unter
Gültigkeit des Prinzips der effektiven Spannungen und der Coulomb’schen Bruchbedingung betrachtet
wird. Für den theoretischen Fall der vollständigen Drainage, d.h. der Porenwasserdruckabsenkung auf
atmosphärischen Druck, wird eine analytische Lösung hergeleitet. Praxisnahe Drainageanordnungen
werden mittels hydraulisch-mechanisch gekoppelter FE-Modellierung untersucht und die
Unterschiede zur analytischen Lösung aufgezeigt. Die Auswirkungen der Drainagemassnahmen
werden anhand der Kennlinien, also des Ausbauwiderstands als Funktion der Verschiebung am
Ausbruchrand des Tunnels, diskutiert. Daneben wird der Plastifizierungsgrad erfasst, der ein
Dimensionierungskriterium gegen innere Erosion darstellen kann. Die Berechnungsresultate liefern
wertvolle Informationen über die statische Wirkung von Anzahl, Länge und Abstand der Drainagebohrungen, welche inner- und ausserhalb eines Injektionskörpers angeordnet werden.
Zusammenfassend liegt der Beitrag vorliegenden Dissertation in der detaillierten Untersuchung der
statischen Auswirkungen von Drainagemassnahmen auf die Ortsbruststabilität sowie auf die Stabilität
von Injektionskörpern im Tunnelbau durch wasserführendes Gebirge und in der Erarbeitung von
Dimensionierungshilfen zur Beurteilung der Ortsbruststabilität unter Berücksichtigung verschiedener,
vorauseilender Drainageanordnungen.
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